Общие сведения об энергоснабжении космических аппаратов. Откуда будут брать энергию космические аппараты будущего? Энергетическая эффективность магнитных систем космических аппаратов

Хорошо видны 6 панелей солнечных батарей, жёстко закреплённых на корпусе. Для максимизации мощности такой установки необходима постоянная ориентация корпуса аппарата на Солнце, что потребовало разработки оригинальной системы управления ориентацией

Система энергоснабжения космического аппарата (система энергопитания , СЭП ) - система космического аппарата , обеспечивающая электропитание других систем, является одной из важнейших систем, во многом именно она определяет геометрию космических аппаратов, конструкцию, массу, срок активного существования. Выход из строя системы энергоснабжения ведёт к отказу всего аппарата.

В состав системы энергопитания обычно входят: первичный и вторичный источник электроэнергии, преобразующие, зарядные устройства и автоматика управления.

Параметры системы

Требуемая мощность энергетической установки аппарата непрерывно растёт по мере освоения новых задач. Так первый искусственный спутник Земли (1957 год) обладал энергоустановкой мощностью порядка 40 Вт , аппарат Молния-1+ (1967 год) обладал установкой мощностью 460 Вт , спутник связи Яхсат 1Б (2011 год) - 12 кВт .

Сегодня большинство бортовой аппаратуры космических аппаратов иностранного производства питается постоянным напряжением 50 или 100 вольт. При необходимости обеспечения потребителя переменным напряжением или постоянным нестандартной величины используются статические полупроводниковые преобразователи.

Первичные источники энергии

В качестве первичных источников используются различные генераторы энергии:

• , в частности:

В состав первичного источника входит не только собственно генератор электроэнергии, но и обслуживающие его системы, например система ориентации солнечных батарей .

Часто источники энергии комбинируют, например, солнечную батарею с химическим аккумулятором.

Солнечные батареи

На сегодняшний день солнечные батареи считаются одним из самых надёжных и достаточно хорошо отработанных вариантов обеспечения космического аппарата энергией.

Мощность излучения Солнца на орбите Земли составляет 1367 Вт/м² . Это позволяет получать примерно 130 Вт на 1 м² поверхности солнечных батарей (при КПД 8…13 %). Солнечные батареи располагают или на внешней поверхности аппарата или на раскрывающихся жёстких панелях. Для максимизации отдаваемой батареями энергии перпендикуляр к их поверхности должен быть направлен на Солнце с точностью 10…15˚. В случае жёстких панелей это достигается или ориентацией самого КА или специализированной автономной электромеханической системой ориентации солнечных батарей , при этом панели подвижны относительно корпуса аппарата. На некоторых спутниках применяют не ориентируемые батареи, располагая их на поверхности так, чтобы при любом положении аппарата обеспечивалась необходимая мощность.

Солнечные батареи со временем деградируют под действием следующих факторов:

• метеорная эрозия уменьшающая оптические свойства поверхности фотоэлектрических преобразователей;
• радиационное излучение понижающее фотоэдс, особенно при солнечных вспышках и при полёте в радиационном поясе Земли ;
• термические удары из-за глубокого охлаждения конструкции на затенённых участках орбиты, нагрева на освещённых и наоборот. Это явление разрушает крепление отдельных элементов батареи, соединения между ними.

Существует ряд мер по защите батарей от этих явлений. Время эффективной работы солнечных батарей составляет несколько лет, это один из лимитирующих факторов, определяющих время активного существования космического аппарата.

При затенении батарей в результате манёвров или входа в тень планеты выработка энергии фотоэлектрическими преобразователям прекращается, поэтому систему энергопитания дополняют химическими аккумуляторами (буферные химические батареи).

Аккумуляторные батареи

Самыми распространёнными в космической технике являются никель-кадмиевые аккумуляторы , так как они обеспечивают наибольшее количество циклов заряд-разряд и имеют лучшую стойкость к перезаряду. Эти факторы выходят на первый план при сроках службы аппарата более года. Другой важной характеристикой химического аккумулятора является удельная энергия, определяющая массо-габаритные характеристики батареи. Ещё одна важная характеристика - это надёжность , так как резервирование химических аккумуляторов крайне нежелательно из-за их высокой массы. Используемые в космической технике аккумуляторы, как правило, имеют герметичное исполнение; герметичность обычно достигается с помощью металло-керамических уплотнений . К батареям также предъявляются следующие требования:

• высокие удельные массогабаритные характеристики;
• высокие электрические характеристики;
• широкий диапазон рабочих температур;
• возможность зарядки низкими токами;
• низкие токи саморазряда .

Помимо основной функции аккумуляторная батарея может играть роль стабилизатора напряжения бортовой сети, так как в рабочем диапазоне температур её напряжение меняется мало при изменении тока нагрузки.

Топливные элементы

Впервые этот тип источника энергии был использован на космическом аппарате Джемини в 1966 году. Топливные элементы имеют высокие показатели по массо-габаритным характеристиками и удельной мощности по сравнению с парой солнечные батареи и химический аккумулятор, устойчивы к перегрузкам, имеют стабильное напряжение, бесшумны. Однако они требуют запаса топлива, потому применяются на аппаратах со сроком нахождения в космосе от нескольких дней до 1-2 месяцев.

Используются в основном водород-кислородные топливные элементы, так как водород обеспечивает наивысшую калорийность , и, кроме того, образовавшаяся в результате реакции вода может быть использована на пилотируемых космических аппаратах. Для обеспечения нормальной работы топливных элементов необходимо обеспечить отвод образующихся в результате реакции воды и тепла. Ещё одним сдерживающим фактором является относительно высокая стоимость жидкого водорода и кислорода , сложность их хранения.

Изобретение относится к области космической энергетики, в частности к бортовым системам электропитания космических аппаратов (КА). Согласно изобретению система электропитания космического аппарата состоит из солнечной батареи, стабилизатора напряжения, аккумуляторной батареи, экстремального регулятора мощности, причем стабилизатор напряжения солнечной батареи и разрядное устройство аккумуляторной батареи выполнены в виде мостовых инверторов с общим трансформатором, при этом вход зарядного устройства соединен с выходной обмоткой трансформатора, к другим выходным обмоткам трансформатора подключены устройства питания нагрузок со своими номиналами выходного напряжения переменного или постоянного тока, причем одно из устройств питания нагрузки соединено со стабилизатором солнечной батареи и разрядным устройством аккумуляторной батареи. Техническим результатом является расширение возможностей системы электропитания КА, повышение качества выходного напряжения, снижение затрат на разработку и изготовление, сокращение сроков разработки системы. 1 ил.

Рисунки к патенту РФ 2396666

Предлагаемое изобретение относится к области космической энергетики, конкретнее к бортовым системам электропитания (СЭП) космических аппаратов (КА).

Широко известны системы электропитания КА, состоящие из солнечной батареи, аккумуляторной батареи, а также комплекса электронного оборудования, обеспечивающего совместную работу указанных источников на нагрузку КА, преобразование и стабилизацию напряжения.

Тактико-технические характеристики СЭП, а для космической техники важнейшая из них - удельная мощность, т.е. отношение мощности, вырабатываемой системой электропитания, к ее массе (Руд=Рсэп/Мсэп), зависят прежде всего от удельно-массовых характеристик используемых источников тока, но и в значительной мере от принятой структурной схемы СЭП, формируемой комплексом электронного оборудования СЭП, который определяет режимы эксплуатации источников и эффективность использования их потенциальных возможностей.

Известны системы электропитания КА со структурными схемами, которые обеспечивают: стабилизацию постоянного напряжения на нагрузке (с точностью до 0,5-1,0% от номинального значения), стабилизацию напряжения на солнечной батарее, при котором обеспечивается съем мощности с нее вблизи оптимальной рабочей точки вольт-амперной характеристики (ВАХ), а также реализуются оптимальные алгоритмы управления режимами эксплуатации аккумуляторных батарей, позволяющие обеспечить максимально возможные емкостные параметры в процессе длительного циклирования батарей на орбите. В качестве примера таких систем электропитания приведем проект СЭП для геостационарного связного КА в статье A POWER, FOR A TELECOMMUNICATION SATELLITE. L.Croci, P.Galantini, C.Marana (Proceedings of the European Space Power Conference held in Graz, Austria, 23-27 August 1993 (ESA WPP-054, August 1993). Предложена СЭП мощностью 5 кВт, с напряжением 42 В. КПД использования мощности солнечной батареи - 97%, эффективность использования емкости аккумуляторной батареи - 80% (в конце 15-летнего срока службы КА).

В структурной схеме СЭП предусмотрено разбиение солнечной батареи на 16 секций, каждая из которых регулируется собственным шунтовым стабилизатором напряжения, а выходы секций через развязывающие диоды подключены к общей стабилизированной шине, на которой поддерживается 42 B±1%. Шунтовые стабилизаторы поддерживают на секциях солнечной батареи напряжение 42 B, а проектирование солнечной батареи ведется т.о., чтобы в конце 15 лет оптимальная рабочая точка ВАХ соответствовала этому напряжению.

По аналогичной структурной схеме выполнено абсолютное большинство систем электропитания зарубежных и ряд отечественных КА, таких как, например, HS-702, А-2100 (США), Spacebus-3000, 4000 (Западная Европа), Sesat, «Экспресс-АМ», «Ямал» (Россия) и т.п.

В статье «Приборный комплекс систем электропитания ИСЗ с экстремальным регулированием мощности солнечной батареи», авторы В.С.Кудряшов, М.В.Нестеришин, А.В.Жихарев, В.О.Эльман, А.С.Поляков (ж. Приборостроение, том.47, апрель 2004 г., № 4) приводится описание структурной схемы СЭП с экстремальным регулятором мощности солнечной батареи, показан эффект от такого регулирования на геостационарном спутнике связи «Экспресс-А», составивший по результатам летных измерений до 5% увеличения выходной мощности батареи. По схеме с экстремальным регулятором солнечной батареи выполнены СЭП многих отечественных КА, таких как геостационарные КА «Галс», «Экспресс», высокоорбитальные «Глонасс-М», низкоорбитальные «Гонец» и др.

При достигнутых высоких тактико-технических характеристиках СЭП современных КА они имеют общий недостаток - они не универсальны, что ограничивает область их использования.

Известно, что для питания различной аппаратуры конкретного КА требуются несколько номиналов питающего напряжения, от единиц до десятков и сотен вольт, в то время как в реализованных СЭП формируется единая шина питания постоянного напряжения с одним номиналом, например, 27 B, или 40 B, или 70 B, или 100 B.

При переходе с одного номинала напряжения питания аппаратуры на другой требуется разработка новой системы электропитания с кардинальной переработкой источников тока - солнечной и аккумуляторной батарей и с соответствующими временными и финансовыми издержками.

В особенности этот недостаток сказывается при создании новых модификаций КА на основе базового варианта, что является магистральным направлением в современном космическом аппаратостроении.

Другим недостатком систем является низкая помехозащищенность потребителей электроэнергии на борту космического аппарата. Это объясняется наличием гальванической связи между шинами питания аппаратуры и источниками тока. Поэтому при резких колебаниях нагрузки, например в моменты включения или отключения отдельных потребителей, возникают колебания напряжения на общей выходной шине системы электропитания, т.н. переходные процессы, вызванные всплесками напряжения на внутреннем сопротивлении источников тока.

Предлагается система электропитания с новой структурной схемой, которая позволяет устранить отмеченные выше недостатки известных систем электропитания космических аппаратов.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является автономная система электропитания КА по патенту РФ 2297706, выбранная в качестве прототипа.

Прототип обладает теми же недостатками, что и рассмотренные выше аналоги.

Задачей предлагаемого изобретения является расширение возможностей системы электропитания КА, повышение качества выходного напряжения, снижение затрат на разработку и изготовление, сокращение сроков разработки системы.

Суть заявляемого изобретения поясняется чертежом.

Система электропитания состоит из солнечной батареи 1, аккумуляторной батареи 2, стабилизатора напряжения солнечной батареи 3, разрядного устройства аккумуляторной батареи 4, зарядного устройства аккумуляторной батареи 5, экстремального регулятора мощности солнечной батареи 6, соединенного своими входами с разрядным 4 и зарядным 5 устройствами и с датчиком тока солнечной батареи 7, а выходом - со стабилизатором напряжения солнечной батареи 3.

Стабилизатор 3 и разрядное устройство 4 выполнены в виде мостовых инверторов. Описания подобных мостовых инверторов приведены, например, в статьях: «Высокочастотные преобразователи напряжения с резонансным переключением», автор А.В.Лукин (ж.ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ, научно-технический сборник выпуск 1, под редакцией Ю.И.Конева. Ассоциация «Электропитание», М., 1993), The Series Connected Buck Boost Regulator For High Efficiency DC Voltage Regulation, автор Arthur G. Birchenough (NASA Technical Memorandum 2003-212514, NASA Lewis Research Center, Cleveland, ОН), а также в статье СТРУКТУРНАЯ СХЕМА И СХЕМОТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ КОМПЛЕКСОВ АВТОМАТИКИ И СТАБИЛИЗАЦИИ СЭП НЕГЕРМЕТИЧНОГО ГЕОСТАЦИОНАРНОГО КА С ГАЛЬВАНИЧЕСКОЙ РАЗВЯЗКОЙ БОРТОВОЙ АППАРАТУРЫ ОТ СОЛНЕЧНЫХ И АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ авторов Поляков С.А., Чернышев А.И., Эльман В.О., Кудряшов B.C., см. «Электронные и электромеханические системы и устройства: Сб. научных трудов НПЦ «Полюс». - Томск: МГП «РАСКО» при издательстве «Радио и связь», 2001, 568 с.

Выходные обмотки 9, 10 стабилизатора и разрядного устройства соответственно соединены с общим трансформатором 8 в качестве его первичных обмоток. Солнечная батарея 1 соединена со стабилизатором 3 плюсовой и минусовой шинами, причем в одной из шин установлен упомянутый датчик тока 7. Аккумуляторная батарея 2 соединена с разрядным устройством плюсовой и минусовой шинами. Зарядное устройство 5 своим входом соединено с вторичной обмоткой 11 трансформатора 8, а выходом - с плюсовой и минусовой шинами аккумуляторной батареи 2.

С вторичными обмотками 12 трансформатора 8 соединены устройства питания 13 нагрузок 14 со своими номиналами выходного напряжения переменного тока и с вторичными обмотками 15 трансформатора 8 соединены устройства питания 16 нагрузок 17 постоянного тока со своими номиналами напряжения, одно из устройств питания 18 нагрузки 19 постоянного или переменного тока, соединенного с вторичной обмоткой 20 трансформатора 8, выбрано в качестве основного, и по нему осуществляют стабилизацию напряжения на вторичной обмотке 20 трансформатора 8. С этой целью устройство 18 соединено обратными связями со стабилизатором 3 и разрядным устройством 4.

Формирование переменного напряжения на выходной обмотке 9 стабилизатора 3 обеспечивается его схемой управления 21, которая по определенному закону открывает попарно транзисторы 22, 23 и 24, 25 соответственно.

Аналогичным образом формируется переменное напряжение на выходной обмотке 10 разрядного устройства 4 его схемой управления 26 транзисторами 27, 28 и 29, 30 соответственно.

Экстремальный регулятор мощности 6 с учетом показаний датчика тока 7 и напряжения на солнечной батарее 1 выдает сигнал коррекции на изменение закона открытия транзисторов стабилизатора 3 таким образом, чтобы на солнечной батарее устанавливалось напряжение, равное оптимальному напряжению вольт-амперной характеристики (ВАХ) солнечной батареи.

Система электропитания работает в следующих основных режимах.

1. Питание нагрузок от солнечной батареи.

При превышении мощности солнечной батареи над суммарной мощностью, потребляемой нагрузками, мостовым стабилизатором 3 с помощью обратной связи устройства 18 и стабилизатора 3 на вторичной обмотке 20 трансформатора 8 поддерживается стабильное напряжение на уровне, при котором обеспечивается требуемая стабильность напряжения на нагрузке 19. При этом на вторичных обмотках 11, 12, 15 трансформатора также поддерживается стабильное переменное напряжение с учетом коэффициентов трансформации обмоток. Аккумуляторная батарея 2 полностью заряжена. Зарядное 5 и разрядное 4 устройства выключены, экстремальный регулятор 6 отключен.

2. Заряд аккумуляторной батареи.

При появлении необходимости заряда аккумуляторной батареи зарядное устройство 5 формирует сигнал на включение заряда и обеспечивает его, преобразовывая переменный ток с вторичной обмотки 11 трансформатора 8 в постоянный ток заряда батареи. Сигнал о включении зарядного устройства 5 поступает также на вход экстремального регулятора 6, который включает стабилизатор 3 в режим экстремального регулирования мощности солнечной батареи. Величина зарядного тока аккумуляторной батареи определяется разницей между мощностью солнечной батареи в оптимальной рабочей точке ее вольт-амперной характеристики и суммарной мощностью нагрузок. Разрядное устройство отключено.

3. Питание нагрузки от аккумуляторной батареи.

Такой режим формируется при попадании КА в тень Земли, Луны, при возможных аномальных ситуациях с потерей ориентации панелей солнечной батареи, при выведении КА на орбиту, когда панели солнечной батареи сложены. Мощность солнечной батареи равна нулю, и питание нагрузки обеспечивается за счет разряда аккумуляторной батареи. В этом режиме стабилизация напряжения на вторичной обмотке 20 трансформатора 8 обеспечивается разрядным устройством аналогично первому режиму, с помощью обратной связи устройства 18 с разрядным устройством Стабилизатор 3, экстремальный регулятор 6, зарядное устройство 5 отключены.

4. Питание нагрузки совместно от солнечной батареи и аккумуляторной батареи.

Режим формируется при недостатке мощности солнечной батареи для питания всех подключенных потребителей, например при включении пиковых нагрузок, при маневрах КА для коррекции орбиты, при входах и выходах КА из теневых участков орбиты и т.п.

В этом режиме стабилизатор 3 экстремальным регулятором 6 по сигналу из разрядного устройства 4 включается в режим экстремального регулирования мощности солнечной батареи 1, а недостающая для питания нагрузок мощность добавляется за счет разряда аккумуляторной батареи 2. Стабилизация напряжения на вторичной обмотке 20 трансформатора 8 обеспечивается разрядным устройством 4 с помощью обратной связи устройства 18 с разрядным устройством 4.

Система электропитания работает полностью в автоматическом режиме.

Предлагаемая система электропитания КА имеет следующие преимущества перед известными системами:

обеспечивает на выходе необходимые для питания разнообразных нагрузок КА стабильные номиналы напряжения постоянного или переменного тока, что расширяет ее возможности применения на КА различных классов или при модернизации существующих аппаратов;

более высокое качество напряжения питания нагрузок за счет снижения помех, т.к. шины питания нагрузок гальванически (через трансформатор) развязаны от шин источников тока;

обеспечивается высокая степень унификации системы и возможность ее адаптации к изменяющимся условиям применения на различных типах КА или их модификациях с минимальной доработкой в части устройств питания нагрузок, не затрагивая базовые узлы системы (солнечную и аккумуляторную батареи, стабилизатор, зарядное и разрядное устройства),

обеспечивается возможность независимого проектирования и оптимизации источников тока по напряжению, выбору типоразмеров аккумуляторов, единичных генераторов солнечной батареи и т.п.;

сокращается время и снижаются затраты на разработку и изготовление системы электропитания.

В настоящее время в ОАО «ИСС» им. М.Ф.Решетнева» совместно с рядом смежных предприятий ведется разработка предлагаемой системы электропитания, идет изготовление отдельных лабораторных узлов устройства. На первых образцах мостового инвертора получен кпд, равный 95-96,5%.

Из известных заявителю патентно-информационных материалов не обнаружена совокупность признаков, сходных с совокупностью признаков заявляемого объекта.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Система электропитания космического аппарата, состоящая из солнечной батареи, подключенной своими плюсовой и минусовой шинами к стабилизатору напряжения, аккумуляторной батареи, подключенной своими плюсовой и минусовой шинами к входу разрядного и выходу зарядного устройств, экстремального регулятора мощности солнечной батареи, соединенного своими входами с датчиком тока, установленным в одной из шин между солнечной батареей и стабилизатором напряжения, разрядным и зарядным устройствами аккумуляторной батареи, а выходом - со стабилизатором напряжения солнечной батареи, отличающаяся тем, что стабилизатор напряжения солнечной батареи и разрядное устройство аккумуляторной батареи выполнены в виде мостовых инверторов с общим трансформатором, при этом вход зарядного устройства соединен с выходной обмоткой трансформатора, к другим же выходным обмоткам трансформатора подключены устройства питания нагрузок со своими номиналами выходного напряжения переменного или постоянного тока, причем одно из устройств питания нагрузки соединено со стабилизатором солнечной батареи и разрядным устройством аккумуляторной батареи.

М. А. ПЕТРОВИЧЕВ , А. С. ГУРТОВ СИСТЕМА ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ БОРТОВОГО КОМПЛЕКСА КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия САМАРА Издательство СГАУ 2007 УДК 629.78.05 ББК 39.62 П306 ЦИ ОНАЛЬ НЫ ПР ТЕТНЫЕ Е Н А О РИ ОЕКТЫ Инновационная образовательная программа "Развитие центра компетенции и подготовка специалистов мирового уровня в области аэрокосмических и геоинформационных технологий” ПР И Рецензенты: доктор технических наук А. <...> К о п т е в, зам. начальника отдела ГНП РКЦ «ЦСКБ - Прогресс» С. И. Миненко П306 Петровичев М.А. <...> Система энергоснабжения бортового комплекса космических аппаратов: учеб. пособие / М.А. Петровичев , А.С. Гуртов. <...> Учебное пособие предназначено студентам специальности 160802 «Космические аппараты и разгонные блоки». <...> УДК 629.78.05 ББК 39.62 ISBN 978-5-7883-0608-7 2 © Петровичев М. А., Гуртов АС, 2007 © Самарский государственный аэрокосмический университет, 2007 Система электроснабжения бортового комплекса космических аппаратов Из всех видов энергии электрическая является наиболее универсальной. <...> . Система электроснабжения (СЭС) КА является одной из важнейших систем, обеспечивающих работоспособность КА . <...> Надежность СЭС во многом определяется 3 резервированием всех видов источников, преобразователей, коммутационной аппаратуры и сети. <...> Структура системы электроснабжения КА Основной системой электроснабжения КА является система постоянного тока. <...> Для парирования пиков нагрузки используют буферный источник . <...> Впервые на многоразовом КА «Шаттл» использована безбуферная система электроснабжения. <...> 4 Система распределения Преобразо ватель Преобраз ователь Сеть Потребитель Первичный источник Буферный источник Рис. <...> Структура аппарата системы электроснабжения космического Буферный источник характеризуется тем, что суммарная производимая им энергия равна нулю. <...> Для согласования характеристик аккумулятора с первичным источником и сетью используют <...>

Система_энергоснабжения_бортового_комплекса_космических_аппаратов.pdf

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени академика С.П. КОРОЛЕВА» М. А. ПЕТРОВИЧЕВ, А. С. ГУРТОВ СИСТЕМА ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ БОРТОВОГО КОМПЛЕКСА КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия С А М А Р А Издательство СГАУ 2007

Стр.1

УДК 629.78.05 ББК 39.62 П306 Инновационная образовательная программа "Развитие центра компетенции и подготовка специалистов мирового уровня в области аэрокосмических и геоинформационных технологий” Рецензенты: доктор технических наук А. Н. К о п т е в, зам. начальника отдела ГНП РКЦ «ЦСКБ - Прогресс» С. И. М и н е н к о Петровичев М.А. П306 Система энергоснабжения бортового комплекса космических аппаратов: учеб. пособие / М.А. Петровичев, А.С. Гуртов. – Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2007. – 88 с.: ил. ISBN 978-5-7883-0608-7 Рассматривается роль и значение системы электроснабжения для космического аппарата, составные элементы этой системы, особое внимание уделяется рассмотрению принципов действия и устройства источников питания, особенностям их использования для космической техники. Пособие дает достаточно обширный справочный материал, который может использоваться при курсовом и дипломном проектировании студентами неэлектрических специальностей. Учебное пособие предназначено студентам специальности 160802 «Космические аппараты и разгонные блоки». Оно также может быть полезно молодым специалистам ракетно-космической отрасли. Подготовлено на кафедре летательных аппаратов. УДК 629.78.05 ББК 39.62 ISBN 978-5-7883-0608-7 2 © Петровичев М. А., Гуртов АС, 2007 © Самарский государственный аэрокосмический университет, 2007 П Р И О Р И Т Т К Е Т О Н Ы Е Н А Ц И О А Н Л Ь Н Ы Е П Р Е Ы

Стр.2

Система электроснабжения бортового комплекса космических аппаратов Из всех видов энергии электрическая является наиболее универсальной. По сравнению с другими видами энергии она имеет ряд преимуществ: электрическая энергия легко преобразуется в другие виды энергии, КПД электрических установок значительно выше КПД установок, работающих на других видах энергии, электрическую энергию легко передавать по проводам к потребителю, электрическая энергия легко распределяется между потребителями. Автоматизация процессов управления полетом любых космических аппаратов (КА) немыслима без электрической энергии. Электрическая энергия используется для приведения в действие всех элементов устройств и оборудования КА (двигательная группа, органов управления, систем связи, приборного комплекса, отопления и т. д.). Система электроснабжения (СЭС) КА является одной из важнейших систем, обеспечивающих работоспособность КА. Основные требования, предъявляемые к СЭС: необходимый запас энергии для совершения всего полета, надежная работа в условиях невесомости, необходимая надежность, обеспечиваемая резервированием (по мощности) основного источника и буфера, отсутствие выделений и потребления газов, способность работать в любом положении в пространстве, минимальная масса, минимальная стоимость. Вся электроэнергия, необходимая для выполнения программы полета (для штатного режима, а также для некоторых нештатных), должна находиться на борту КА, поскольку восполнение ее возможно только для обитаемых станций. Надежность СЭС во многом определяется 3

Разработка конкурентоспособной космической техники требует перехода на новые типы аккумуляторов, отвечающих требованиям систем электроснабжения перспективных космических аппаратов.

В наши дни космические аппараты используются для организации систем связи, навигации, телевидения, изучения погодных условий и природных ресурсов Земли, освоения и изучения дальнего космоса.

Одним из главных условий к подобным аппаратам является точная ориентация в космосе и коррекция параметров движения. Это значительно повышает требования к системе электроснабжения аппарата. Проблемы энерговооруженности космических аппаратов, и, в первую очередь, разработки по определению новых источников электроэнергии, имеют первостепенное значение на мировом уровне.

В настоящее время основными источниками электроэнергии для космических аппаратов являются солнечные и аккумуляторные батареи.

Солнечные батареи по своим характеристикам достигли физического предела. Дальнейшее их совершенствование возможно при использовании новых материалов, в частности, арсенида галлия. Это позволит в 2-3 раза увеличить мощность солнечной батареи или уменьшить ее размер.

Среди аккумуляторных батарей для космических аппаратов сегодня широко используются никель-водородные аккумуляторы. Однако энергомассовые характеристики этих аккумуляторов достигли своего максимума (70-80 Вт*ч/кг). Дальнейшее их улучшение очень ограничено и, кроме того, требует больших финансовых затрат.

В связи с этим, в настоящее время на рынке космической техники происходит активное внедрение литий-ионных аккумуляторов (ЛИА).

Характеристики литий-ионных батарей гораздо выше по сравнению с аккумуляторами других типов при аналогичном сроке службы и количестве циклов заряд-разряд. Удельная энергия литий-ионных аккумуляторов может достигать 130 и более Вт*ч/кг, а коэффициент полезного действия по энергии — 95%.

Немаловажным фактом является и то, что ЛИА одного типоразмера способны безопасно работать при их параллельном соединении в группы, таким образом, несложно формировать литий-ионные аккумуляторные батареи различной емкости.

Одним из главных отличий ЛИА от никель-водородных батарей является наличие электронных блоков автоматики, которые контролируют и управляют процессом заряда-разряда. Они также отвечают за нивелирование разбаланса напряжений единичных ЛИА, и обеспечивают сбор и подготовку телеметрической информации об основных параметрах батареи.

Но все же основным преимуществом литий-ионных аккумуляторов считается снижение массы по сравнению с традиционными батареями. По оценкам специалистов, применение литий-ионных аккумуляторов на телекоммуникационных спутниках мощностью 15-20 кВт позволит снизить массу батарей на 300 кг. Учитывая то, что стоимость вывода на орбиту 1 кг полезной массы составляет около 30 тысяч долларов, это позволит значительно снизить финансовые затраты.

Одним из ведущих российских разработчиков подобных аккумуляторных батарей для космических аппаратов является ОАО «Авиационная электроника и коммуникационные системы» (АВЭКС), входящее в КРЭТ . Технологичный процесс изготовления литий-ионных аккумуляторов на предприятии позволяет обеспечить высокую надежность и снижение себестоимости.

Правообладатель иллюстрации SPL

Для космических полетов продолжительностью в несколько десятилетий - или даже дольше - потребуется новое поколение источников питания. Обозреватель решил разобраться, какие варианты есть у конструкторов.

Система питания - жизненно важная составляющая космического корабля. Эти системы должны быть предельно надежными и рассчитанными на работу в жестких условиях.

Современные сложные аппараты требуют все больше энергии - каким же видится будущее их источников питания?

Среднестатистический современный смартфон едва может проработать сутки на одной зарядке. А зонд "Вояджер", запущенный 38 лет назад, по-прежнему передает на Землю сигналы, уже покинув пределы Солнечной системы.

Компьютеры "Вояджеров" способны совершать 81 тысячу операций в секунду - но процессор смартфона работает в семь тысяч раз быстрее.

• Другие статьи сайта BBC Future на русском языке

При конструировании телефона, конечно, подразумевается, что он будет регулярно подзаряжаться и вряд ли окажется в нескольких миллионах километров от ближайшей розетки.

Зарядить аккумулятор космического корабля, который как раз-таки по замыслу должен находиться в ста миллионах километров от источника тока, не получится - нужно, чтобы он был способен либо нести на борту батареи достаточной емкости для того, чтобы работать десятилетиями, либо генерировать электроэнергию самостоятельно.

Решить такую конструкторскую задачу, оказывается, довольно непросто.

Некоторым бортовым устройствам электричество нужно лишь время от времени, но другие должны работать постоянно.

Всегда должны быть включены приемники и передатчики, а в пилотируемом полете или на обитаемой космической станции - также системы жизнеобеспечения и освещения.

Правообладатель иллюстрации NASA Image caption Двигатели у "Вояджеров" не самые современные, но они успешно прослужили уже 38 лет

Доктор Рао Сурампуди возглавляет программу энергетических технологий в лаборатории реактивного движения при Калифорнийском технологическом институте в США. Уже более 30 лет он занимается разработкой систем электропитания для различных аппаратов НАСА.

По его словам, на энергетическую систему обычно приходится примерно 30% всей массы космического аппарата. Она решает три основных задачи:

• выработка электроэнергии

• хранение электроэнергии

• распределение электроэнергии

Все эти части системы жизненно важны для работы аппарата. Они должны мало весить, быть долговечными и иметь высокую "энергетическую плотность" - то есть вырабатывать много энергии при довольно небольшом объеме.

Кроме того, они должны быть надежными, так как отправлять человека в космос для починки поломок весьма непрактично.

Система должна не только вырабатывать достаточно энергии для всех потребностей, но и делать это в течение всего полета - а он может продолжаться десятилетиями, а в будущем, возможно, и столетиями.

"Расчетный срок эксплуатации должен быть длительным - если что-либо поломается, чинить будет некому, - говорит Сурампуди. - Полет к Юпитеру занимает от пяти до семи лет, к Плутону - более 10 лет, а чтобы покинуть пределы Солнечной системы, нужно от 20 до 30 лет".

Правообладатель иллюстрации NASA Image caption В миссии НАСА по отклонению астероидов будет использован новый тип питания от солнечной энергии - более эффективный и долговечный, чем у предшественников

Энергетические системы космического корабля находятся в очень специфических условиях - они должны сохранять работоспособность при отсутствии гравитации, в вакууме, под воздействием очень интенсивной радиации (которая вывела бы из строя большинство обычных электронных приборов) и экстремальных температур.

"Если сесть на Венеру, то за бортом будет 460 градусов, - рассказывает специалист. - А при посадке на Юпитер температура будет минус 150".

Аппараты, направляющиеся к центру Солнечной системы, не имеют недостатка в энергии, собираемой их фотоэлектрическими панелями.

Эти панели на вид мало чем отличаются от солнечных панелей, устанавливающихся на крышах жилых домов, но при этом они работают с куда более высокой эффективностью.

Рядом с Солнцем очень жарко, и фотоэлектрические панели могут перегреться. Чтобы этого избежать, панели отворачивают от Солнца.

На планетарной орбите фотоэлектрические панели менее эффективны: они вырабатывают меньше энергии, так как время от времени оказываются отгороженными от Солнца самой планетой. В подобных ситуациях необходима надежная система накопления энергии.

Атомное решение

Такая система может быть построена на основе никель-водородных аккумуляторов, которые выдерживают более 50 тысяч циклов зарядки и работают более 15 лет.

В отличие от обычных батарей, которые в космосе не работают, эти батареи герметичны и могут нормально функционировать в вакууме.

По мере удаления от Солнца уровень солнечной радиации естественным образом понижается: у Земли он составляет 1374 ватта на квадратный метр, у Юпитера - 50, а у Плутона - всего один ватт на квадратный метр.

Поэтому если аппарат вылетает за орбиту Юпитера, то на нем применяются атомные системы питания.

Самая распространенная из них - это радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ), применявшийся на зондах "Вояджер", "Кассини" и на марсоходе "Кьюриосити".

Правообладатель иллюстрации NASA Image caption В качестве одного из возможных источников питания для продолжительных миссий рассматривается улучшенный радиоизотопный генератор Стирлинга

В этих источниках питания нет движущихся частей. Они вырабатывают энергию за счет распада радиоактивных изотопов, таких как плутоний. Срок их службы превышает 30 лет.

Если использовать РИТЭГ нельзя (к примеру, если для защиты экипажа от радиации понадобится слишком массивный для полета экран), а фотоэлектрические панели не подходят по причине слишком большого расстояния от Солнца, тогда можно применить топливные ячейки.

Водородно-кислородные топливные ячейки были использованы в американских космических программах "Джемини" и "Аполлон". Такие ячейки нельзя перезарядить, но они выделяют много энергии, а побочным продуктом этого процесса является вода, которую потом может пить экипаж.

НАСА и лаборатория реактивного движения ведут работы по созданию более мощных, энергоемких и компактных систем с высоким рабочим ресурсом.

Но новым космическим аппаратам нужно все больше энергии: их бортовые системы постоянно усложняются и расходуют много электричества.

Для длительных полетов, возможно, будут применяться атомно-электрические движители

Особенно это касается кораблей, которые используют электрический привод - к примеру, ионный движитель, впервые примененный на зонде Deep Space 1 в 1998 году и с тех пор широко прижившийся.

Электрические двигатели как правило работают за счет электрического выброса топлива на высокой скорости, но есть и такие, которые разгоняют аппарат посредством электродинамического взаимодействия с магнитными полями планет.

Большинство земных энергетических систем не способно работать в космосе. Поэтому любая новая схема перед установкой на космический аппарат проходит серию серьезных испытаний.

В лабораториях НАСА воссоздаются жесткие условия, в которых должно будет функционировать новое устройство: его облучают радиацией и подвергают экстремальным перепадам температур.

К новым рубежам

Не исключено, что в будущих полетах будут применяться улучшенные радиоизотопные генераторы Стирлинга. Они работают по схожему с РИТЭГ принципу, но гораздо более эффективны.

Кроме того, их можно сделать весьма малогабаритными - хотя при этом конструкция дополнительно усложняется.

Для планируемого полета НАСА к Европе, одному из спутников Юпитера, создаются и новые батареи. Они будут способны работать при температурах от -80 до -100 градусов.

А новые литий-ионные аккумуляторы, над которыми сейчас трудятся конструкторы, будут иметь вдвое большую емкость, чем нынешние. С их помощью астронавты смогут, к примеру, провести вдвое больше времени на лунной поверхности, прежде чем возвращаться в корабль для подзарядки.

Правообладатель иллюстрации SPL Image caption Для обеспечения энергией таких поселений, скорее всего, потребуются новые типы горючего

Конструируются и новые солнечные батареи, которые могли бы эффективно собирать энергию в условиях низкой освещенности и низких температур - это позволит аппаратам на фотоэлектрических панелях улетать дальше от Солнца.

На каком-то этапе НАСА намеревается создать постоянную базу на Марсе - а возможно, и на более удаленных планетах.

Энергетические системы таких поселений должны быть намного более мощными, чем используемые в космосе сейчас, и рассчитанными на гораздо более длительную эксплуатацию.

На Луне много гелия-3 - этот изотоп редко встречается на Земле и является идеальным топливом для термоядерных электростанций. Однако пока не удалось добиться достаточной стабильности термоядерного синтеза для того, чтобы применять этот источник энергии в космических кораблях.

Кроме того, существующие на сегодняшний термоядерные реакторы занимают площадь самолетного ангара, и в таком виде использовать их для космических полетов невозможно.

А можно ли применять обычные ядерные реакторы - особенно в аппаратах с электрическими движителями и в планируемых миссиях к Луне и к Марсу?

Для колонии в таком случае не придется вести отдельный источник электричества - в его роли сможет выступить корабельный реактор.

Для длительных полетов, возможно, будут применяться атомно-электрические движители.

"Аппарату Миссии по отклонению астероидов нужны большие солнечные панели, чтобы он обладал достаточным запасом электрической энергии для маневров вокруг астероида, - говорит Сурампуди. - В настоящее время мы рассматриваем вариант солнечно-электрического движителя, но атомно-электрический обошелся бы дешевле".

Однако в ближайшее время мы вряд ли увидим космические корабли на ядерной энергии.

"Эта технология пока недостаточно отработанная. Мы должны быть абсолютно уверены в ее безопасности, прежде чем запускать такой аппарат в космос", - объясняет специалист.

Чтобы удостовериться в том, что реактор способен выдержать жесткие нагрузки космического полета, нужны дополнительные тщательные испытания.

Все эти перспективные энергетические системы позволят космическим аппаратам работать дольше и улетать на большие расстояния - но пока они находятся на ранних стадиях разработки.

Когда испытания будут успешно закончены, такие системы станут обязательной составляющей полетов на Марс - и еще дальше.

• Прочитать можно на сайте .